Тяговые двигатели электровоза

Размещено на http://allbest.ru

Тяговые двигатели электровоза

Как известно при работе работу тягового двигателя оказывают взаимно связаннные электрические и механические величины.

Так как нас в конечном итоге интересует вращающий момент двигателя, частота вращения и потери в нем энергии.

Величины тока М(I), п(I) и к.п.д.(I) называют электромеханическими характеристиками, так как они позволяют определить значения величин М, п, к.п.д в зависимости от тока двигателя во всем диапазоне его изменения при нормальной работе.

Поскольку возможности э. п. с. характеризуются скоростью движения, которую он может развить в режиме тяги, то электромеханические характеристики, относящиеся к валу тягового двигателя, пересчитывают на характеристики, отнесенные к ободу колес.

Этот пересчет сводится по существу к изменению масштабов величин, зависящему от передаточного отношения тяговой передачи и диаметра колеса.

Определенные таким образом зависимости скорости движения э. п. с. от тока тягового двигателя, т. е. V(I), силы тяги э. п. с. от тока двигателя, т. е.F(I) и потери энергии с учетом потерь в двигателе и тяговой передаче от тока двигателя, в отличие от электромеханических характеристик называют электротяговыми.

На основании двух первых из приведенных электротяговых характеристик находят важную для решения многих технико-экономических задач, связанных с движением поездов, тяговую характеристику э. п. с. F(v).

Чтобы найти эту характеристику, умножают значение силы тяги одной колесной пары на число тяговых двигателей, установленных на э. и. с., полагая, что каждая колесная пара приводится во вращение своим тяговым двигателем и что все они имеют одинаковые характеристики.

Чем же определяется вид электромеханических и электротяговых характеристик?

Прежде всего системой возбуждения тягового двигателя, т. е. степенью связи тока возбуждения с током якоря, зависящей от способа включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря.

Обмотка возбуждения может быть включена последовательно с обмоткой якоря (последовательное возбуждение). При этом но обеим обмоткам протекает один и тот же ток (рис. 1, а).

Рис. 1. Тяговые двигатели с послeдовательным возбуждением имеют мягкие характеристики п(I), V(I).

поезд двигатель обмотка электровоз

Электромеханические характеристики n (I) и М (I0 получены на валу двигателя. Так как скорость движения V пропорциональна частоте вращения п якоря, а сила тяги F -- вращающему моменту М, то п (I) и М (I) в другом масштабе представляют собой электро-тяговые характеристики V (I) и F (I). отнесенные к ободу колеса.

В случае параллельного включения обмоток (параллельное возбуждение) в цепи двигателя циркулирует сумма тока возбуждения и тока якоря.

Обмотку возбуждения можно не включать в цепь якоря, а подсоединить к постороннему источнику электроэнергии (независимое возбуждение).

Возможно также часть обмотки возбуждения включить в цепь якоря, а другую ее часть подключить к постороннему источнику питания (смешанное возбуждение).

При этом части обмоток могут быть подключены к обмотке якоря так, чтобы токи в цепи двигателя суммировались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).

Наиболее широко на э. п. с. применяется последовательное- включение обмоток возбуждения и якоря.

Так как в этом случае по ним протекает один и тот же ток, магнитный поток двигателя оказывается пропорциональным (до насыщения) току якоря, а вращающий момент -- квадрату тока.

Поэтому двигатель с последовательным возбуждением относительно легко можно регулировать. Это его важное достоинство.

Однако при движении по тяжелым элементам профиля ток якоря значительно увеличивается, так как э. п. с. должен преодолеть возросшее из-за подъема участка сопротивление движению поезда.

Это приводит к тому, что скорость движения поезда снижается, растет нагрев тягового двигателя, увеличивается время хода поезда по перегону и т. п.

Характеристики тягового движения с последовательным возбуждением называют мягкими (рис. 2).

Рис. 2.. Тяговые двигатели с независимым возбуждением (а) имеют жесткие характеристики п (I) и V (I) зависимости частоты вращения якоря и скорости движения от тока (б).

Это объясняется тем, что при увеличении токи якоря его частота вращения п уменьшается только вследствие того, что незначительно увеличивается падение напряжения в обмотке якоря тягового двигателя/

При независимом возбуждении (рис. 2., а) из-за того, что обмотка возбуждения, создающая магнитный поток двигателя, питается от постороннего источника энергии, частота вращения якоря двигателя, а следовательно, и скорость движения э. п. с. при увеличении тока якоря уменьшаются незначительно (рис. 2,6)--только за счет увеличения падения напряжения в обмотке якоря.

Зависимость V(I) при независимом возбуждении представляет собой почти горизонтальную линию.

Это значит, что скорость движения э. п. с. практически постоянна на любом элементе профиля пути. Такую характеристику называют жесткой. Э. п. с. с тяговыми двигателями, имеющими жесткие характеристики, способен реализовать силу тяги, ограниченную сцеплением колес с рельсами, на 15--20% большую, чем при тяговых двигателях последовательного возбуждения.

Однако для этого требуется обеспечить равномерное распределение тока между параллельно работающими тяговыми двигателями, на что требуются дополнительные расходы.

Особенно эффективным оказывается использование тяговых двигателей с независимым возбуждением, т. е. с жесткими характеристиками, на дорогах с перевалистым или холмистым профилем, сочетающим большое число довольно крутых подъемов и спусков с короткими площадками.

Характеристики тягового двигателя с параллельным возбуждением имеют такой же вид, как и при независимом возбуждении. Согласное включение части обмотки возбуждения и обмотки якоря обычно в схемах э. п. с. не применяется; встречное включение используют при рекуперации энергии для обеспечения устойчивости работы двигателей в генераторном режиме.

Электромеханические и электротяговые характеристики рассчитывают при проектировании и экспериментально проверяют в процессе испытаний на стенде при неизменных напряжении питания тягового двигателя и сопротивлении его электрической цени.

Если напряжение питания изменится, частота вращения вала тягового двигателя, а следовательно, и скорость движения э. п. с. также изменятся.

Таким образом, каждому значению напряжения питания двигателя соответствует определенная электромеханическая характеристика и электротяговая характеристика э. п. с.

В процессе изготовления и ремонта тяговых двигателей возможны некоторые отступления от расчетных значений параметров, определяющих тяговые характеристики.

Это в первую очередь различия в воздушном зазоре, сопротивлениях обмоток, магнитных сопротивлениях и т. д. Кроме того, разброс электротяговых характгеристик возникает из-за разницы диаметров, колес э. п. с.

Несовпадение характеристик приводит к неравенству сил тяги и торможения колесных пар. Поэтому общая сила тяги (торможения) э. п. с. меньше произведения расчетной силы тяги одной колесной пары на число колесных пар.

Чтобы уменьшить влияние расхождения характеристик на тяговые и тормозные свойства эп.с., установлена максимально допустимая разница в их частоте вращения, равная ±3% при часовом режиме.

Характеристики, соответствующие номинальному значению напряжения питания и номинальному сопротивлению цепи тягового двигателя, называют номинальными, или типовыми, электро-механическими и электротяговыми характеристиками.

Характеристики, соответствующие другим значениям напряжения питания и сопротивления, называют регулировочными электромеханическими и электротяговыми характеристиками.

В принципе характеристики э. п. с. можно регулировать, изменяя не только параметры тяговых двигателей, например напряжение питания, сопротивления цепи и магнитный поток, но и параметры тяговой передачи, в частности передаточное отношение.

Изменяя электрические параметры тягового двигателя, можно получить семейство характеристик. Изменение же передаточного отношения не приводит к увеличению числа характеристик: при той же мощности тягового двигателя уменьшение передаточного числа смещает его характеристику в сторону более высоких скоростей и малых значений силы тяги и, наоборот, в сторону более низких скоростей и больших значений силы тяги при его увеличении.

Чтобы изменить передаточное отношение, требуется перепрессовать зубчатое колесо и шестерню. Это позволяет в известной мере приспособить электровоз данной мощности для вождения как грузовых, так и пассажирских поездов, но требует дополнительных расходов.

Ранее было отмечено, что преимуществом электрической тяги как неавтономного вида тяги по сравнению с другими видами является возможность э. п. с. отбирать от тяговой подстанции количество энергии, сообразуясь с профилем пути и условиями движения.

Насколько эта возможность реализуется в каждом конкретном случае, зависит во многом от числа и формы регулировочных характеристик э. п. с. До сих пор мы рассматривали и регулировочные, и номинальные характеристики э. п. с. при установившихся режимах работы тяговых двигателей.

Так как тяговые двигатели являются электрическими машинами «предельного исполнения», работающими в сложных и трудных условиях при резкопеременных нагрузках, нетрудно установить, что требования, предъявляемые к тяговым двигателям, являются взаимно противоречивыми.

Так, стремление увеличить вращающий момент двигателя требует увеличения его габаритных размеров и утяжеления двигателя, а это приведет к росту динамических сил взаимодействия пути и э. п. с., вредно отражающихся на работе самого двигателя.

Попытки уменьшить диаметр колесной пары с целью облегчения динамики движения э. п. с. привели к уменьшению его размеров, а следовательно, и мощности.

Облегчение коммутации тягового двигателя путем развития дополнительных полюсов вызывает увеличение потерь энергии в нем, ухудшение использования его габаритов и т. д. Таким образом, ужесточение одних требований к тяговому двигателю ведет к некоторому ослаблению других.

Поэтому при разработке и создании двигателя данного типа, определении его параметров и технологии изготовления приходится отыскивать компромиссное решение, и не одно.

Затем выбирают из них наиболее обоснованное технико-экономическими расчетами, учитывающими такие факторы, как масса двигателя, его мощность, к. п. д., стоимость изготовления и ремонта, коммутационная и потенциальная устойчивость, надежность и др. И даже это решение не гарантирует надежной работы такого двигателя в эксплуатации.

Дело в том, что фактические условия его работы и, в частности, электрические и механические нагрузки, их случайные сочетания настолько разнообразны и и (изменчивы во времени, что учесть их можно только с некоторой степенью вероятности.

Поэтому, чтобы оценить работоспособность тягового двигателя. нельзя ограничиться анализом только установившихся режимов его работы, не учитывать процесса перехода от одних условий работы к другим, т. е. неустановившихся режимов.

Для таких режимов характерно быстрое перераспределение электромагнитной энергии между узлами цепи, которое существенно изменяет распределение потенциалов, найденное при расчете установившихся режимов.

Основную роль в перераспределении энергии играет индуктивность каждого узла, которую можно рассматривать как инерцию электромагнитной цепи, проявляющуюся при изменении ее нагрузки вообще и тягового двигателя в частности.

Поскольку в тяговых двигателях основная доля индуктивности приходится на обмотки возбуждения, именно их индуктивность в первую очередь определяет характер неустановившихся процессов.

Влияют на него также и вихревые токи, возникающие в магнито- проводе двигателя, его э. д. с. и другие факторы. Все эти процессы являются сложными и многообразными. При их расчетах приходится принимать определенные допущения.

Следовательно, на стадии разработки и создания тягового двигателя оценить его надежность в различных условиях работы можно лишь ориентировочно.

Более достоверное представление о надежности тяговых двигателей можно получить при ускоренных испытаниях головных образцов тяговых двигателей, выполняемых на специальных вибрационных стендах. Такие испытания позволяют выработать в сжатые сроки рекомендации по повышению надежности тяговых двигателей до их серийного выпуска.

Размещено на Allbest.ru